รับประกันการเชื่อมต่อในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวยด้วยสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตแบบบอนด์แพร์

ด้วยการโยกย้ายไปสู่การเชื่อมต่อระบบอุตรสาหกรรมเข้ากับอินเทอร์เน็ต Industrial Internet of Things (IIoT) ความต้องการความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่มีเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ ทำให้เกิดความท้าทายที่เพิ่มขึ้นสำหรับนักพัฒนาที่กำลังมองหาโซลูชันการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง สภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่มีสัญญาณรบกวนจะจำกัดวิธีการแบบไร้สาย ในขณะที่สภาพแวดล้อมทางกายภาพที่รุนแรงทำให้การใช้วิธีเดินสายเคเบิลแบบเดิมๆ ยุ่งยาก นักออกแบบต้องการโซลูชันการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยสามารถรักษาความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพได้

ทางเลือกหนึ่งคือการใช้สายเคเบิลอีเธอร์เน็ตแบบบอนด์แพร์ที่ป้องกันการแยกสายตีเกลียวคู่เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

บทความนี้จะอธิบายถึงความท้าทายที่นักออกแบบต้องเผชิญเมื่อพิจารณาตัวเลือกสายเคเบิลสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง จากนั้นจะแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ด้วยสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตแบบบอนด์แพร์ได้อย่างไร โดยใช้ตัวอย่างจาก Belden เพื่อแสดงให้เห็นถึงคุณลักษณะและประสิทธิภาพของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตแบบคลาสสิก

การพัฒนาสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมท้าทายความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของเครือข่าย

ความต้องการเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ที่หลากหลายและจำนวนมากขึ้นใน IIoT ที่กำลังพัฒนา ทำให้เกิดความท้าทายที่นักออกแบบเครือข่ายอุตสาหกรรมต้องเผชิญ นอกเหนือจากความต้องการการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้อย่างต่อเนื่อง เครือข่ายอุตสาหกรรมยังจำเป็นต้องมอบทั้งประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์และปริมาณงานที่สูงขึ้น เนื่องจากระบบที่ใช้การมองเห็นเข้าร่วมกับเซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงเพื่อมีบทบาทสำคัญในหลายขั้นตอนของกระบวนการผลิต แม้ว่าเทคโนโลยีเครือข่าย เช่น มาตรฐาน IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) ช่วยให้นักออกแบบสามารถตอบสนองข้อกำหนดสำหรับประสิทธิภาพอีเธอร์เน็ตที่กำหนดได้ แต่เครือข่ายอีเธอร์เน็ต 10 กิกะบิต (Gbit) กำลังกลายเป็นมาตรฐาน เนื่องจากสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมเผชิญกับปริมาณข้อมูล ความเร็ว และความหลากหลายที่มากขึ้น

การรับรองความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของเครือข่ายในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมยังคงมีความท้าทาย เนื่องจากลักษณะของสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าและกายภาพทั่วไปของโรงงาน ในสภาพแวดล้อมนี้ สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าและการรบกวนของพลังงานที่เครื่องจักรสร้างขึ้นรวมกับแหล่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการรบกวนความถี่วิทยุ (RFI) ที่หลากหลาย จะลดความสมบูรณ์ของสัญญาณการสื่อสาร ในทางกายภาพ พื้นที่ผลิตนำเสนอความท้าทายที่สำคัญในรูปแบบของเชื้อเพลิง น้ำมัน ตัวทำละลาย และสารเคมีอื่นๆ เช่นเดียวกับความชื้น อุณหภูมิสูง และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วจากเครื่องจักรที่ใช้งาน กระบวนการทางอุตสาหกรรม และรอยเชื่อม

ในการสร้างเครือข่ายการสื่อสาร ผู้ออกแบบเครือข่ายโรงงานอาศัยสายเคเบิลสื่อสารที่มีความคล้ายคลึงกันเพียงผิวเผินกับสายเคเบิลที่มีไว้สำหรับการติดตั้งในอาคารพาณิชย์ เช่นเดียวกับในอาคารพาณิชย์ สายเคเบิลประเภทไรเซอร์หรือที่เรียกว่า Communications MultiPurpose Cable, Riser (CMR) ทำหน้าที่เป็นสายเคเบิลที่วิ่งผ่านไรเซอร์หรือช่องชาฟต์ในโรงงานอุตสาหกรรม ในทำนองเดียวกัน สายเคเบิลประเภทพลีนัม หรือที่เรียกว่า Communications MultiPurpose Cable, Plenum (CMP) เป็นสายเคเบิลที่มีพิกัดสูงกว่าซึ่งจำเป็นในการจำกัดการแพร่กระจายของเปลวไฟและควันในสายเคเบิลแนวนอนที่วิ่งผ่านช่องว่างใต้พื้นหรือเพดาน

อย่างไรก็ตาม การเดินสายเคเบิลในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมต่างจากการติดตั้งในอาคารเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งไวต่อความเครียดทางกลจากการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง การงอ การเสียดสี และการบดอัดจากการปฏิบัติงานในโรงงานตามปกติ นักออกแบบเครือข่ายอุตสาหกรรมอาศัยวัสดุฉนวนหุ้มสายเคเบิลที่หลากหลายมาเป็นเวลานาน เพื่อให้เกิดความสมดุลที่ต้องการระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพในเครือข่ายของตน

ลักษณะของสายเคเบิลอุตสาหกรรม

แม้ว่าวัสดุฉนวนสายเคเบิลจะแตกต่างกันไปตามความต้องการเฉพาะ แต่ฟลูออริเนตเอทิลีนโพลีเมอร์ (FEP) และโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) เป็นวัสดุสองชนิดที่ใช้กันทั่วไปในปลอกหุ้มสายเคเบิลอุตสาหกรรม ในบรรดาสายเคเบิลระดับ CMP นั้น FEP มักจะถูกนำมาใช้เนื่องจากมีลักษณะการหน่วงไฟและควัน การใช้ FEP ในปลอกหุ้มสายเคเบิลสื่อสารไม่เพียงช่วยลดเปลวไฟ แต่ยังจำกัดการแพร่กระจายของควันหนาทึบจากเพลิงไหม้ผ่านท่ออากาศอีกด้วย นอกจากจะทนทานต่อสารเคมีแล้ว สายเคเบิล FEP ยังทนทานต่อช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่กว้างอีกด้วย ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลอีเธอร์เน็ตระดับ CMP DataTuff 7931A ที่หุ้มด้วยปลอกหุ้ม FEP สี่คู่ (7931A 0101000) ของ Belden กำหนดไว้สำหรับช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -70 ถึง +150°C

โดยทั่วไปสายเคเบิลระดับ CMR จะถูกหุ้มฉนวนด้วย PVC ซึ่งมีต้นทุนที่ต่ำกว่าในขณะที่ให้ความทนทานและทนทานต่อสารเคมี ความร้อน และน้ำอย่างเหมาะสม โดยทั่วไปแล้ว PVC จะมีอุณหภูมิการทำงานที่จำกัดมากกว่า ซึ่งสอดคล้องกับการใช้งานทั่วไปในไรเซอร์ ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลอีเธอร์เน็ตระดับ CMR DataTuff 7953A ที่หุ้มด้วยปลอกหุ้ม PVC สี่คู่ (7953A 0101000) ของ Belden ถูกระบุสำหรับช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -40 ถึง 75°C

นอกจาก FEP และ PVC แล้ว วัสดุอื่นๆ มักจะใช้แยกกันหรือร่วมกันเพื่อรองรับข้อกำหนดเฉพาะ ตัวอย่างเช่น สำหรับสายอีเธอร์เน็ต DataTuff 7962A สองคู่ (7962A 1SW1000) Belden ผสมผสานปลอกหุ้มด้านนอกเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ (TPE), ปลอกหุ้มด้านในโพลีเอทิลีน (PE) และฉนวนลวดโพลีโอเลฟิน (PO) เพื่อให้สายเคเบิลที่ทนทาน หน่วงไฟ และทนน้ำมัน ซึ่งเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย

การเลือกใช้วัสดุปลอกหุ้มเป็นเพียงหนึ่งในหลายประเด็นสำคัญในการตัดสินใจในการเลือกสายเคเบิลสำหรับเครือข่ายอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ สายเคเบิลสื่อสารทางอุตสาหกรรมสามารถรับความเครียดทางกลอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่งผลให้สัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้นในสายตีเกลียวคู่ทั่วไป สายเคเบิลประเภทที่คุ้นเคยนี้อาศัยการลดสัญญาณรบกวนและความไวต่อสัญญาณรบกวนที่พบเมื่อสายไฟคู่หนึ่งบิดเข้าหากัน อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ความเครียดในการติดตั้งและการทำงานในแต่ละวันโดยทั่วไปในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมอาจทำให้เกิดการแยกระหว่างสายไฟที่จับคู่ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: สายเคเบิลตีเกลียวคู่แบบทั่วไปช่วยลดสัญญาณรบกวนและสัญญาณรบกวนในขณะที่สายไฟที่จับคู่ยังคงอยู่ใกล้กัน (ด้านบน) แต่โดยทั่วไปแล้วสายไฟจะแยกออกจากกัน (ด้านล่าง) หลังจากการดัด งอ และดึงซ้ำหลายครั้ง (ที่มาของภาพ: Belden)

เมื่อระยะห่างระหว่างตัวนำถึงตัวนำหรือความเป็นศูนย์กลางเพิ่มขึ้นเนื่องจากการโค้งงอ การงอ หรือการดึงอย่างต่อเนื่อง ผลในการตัดสัญญาณรบกวนของสายตีเกลียวคู่จะลดลงอย่างมาก เมื่อเวลาผ่านไป ความสมบูรณ์ของสัญญาณจะลดลง ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของการส่งสัญญาณผ่านเครือข่าย สายเคเบิลสื่อสารตีเกลียวคู่แบบเดิมของ Belden ได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ แม้ว่าการติดตั้งและการใช้งานจะเข้มงวดมากก็ตาม

เทคโนโลยีบอนด์แพร์สามารถต้านทานต่อความเครียด

เทคโนโลยีบอนด์แพร์ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของ Belden จะสร้างพันธะที่แท้จริงระหว่างสายไฟในแต่ละคู่ เพื่อรักษาจุดศูนย์กลางที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสายตีเกลียวคู่ทั้งหมดในสายเคเบิลสื่อสาร หลีกเลี่ยงช่องว่างที่อาจส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ต่างจากเทคโนโลยีสายตีเกลียวคู่ทั่วไป (ซ้าย) เทคโนโลยีสายตีเกลียวคู่ของ Belden (ขวา) ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระยะห่างระหว่างสายคู่ในสายเคเบิลยังคงคงที่ แม้ว่าจะโค้ง งอ หรือดึงก็ตาม (ที่มาของภาพ: Belden)

เทคโนโลยีบอนด์แพร์ของ Belden ส่งผลให้สายเคเบิลมีความต้านทานแรงดึง ซึ่งโดยทั่วไปมีความแข็งแรงมากกว่าสายอีเธอร์เน็ตทั่วไปถึง 40% ในเวลาเดียวกัน สายเคเบิลแบบบอนด์แพร์ของ Belden สามารถโค้งหรืองอได้อย่างปลอดภัยตามรัศมีการโค้งงอที่แน่นเป็นสี่เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายเคเบิล ในทางตรงกันข้าม รัศมีการโค้งงอของสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตปกติโดยทั่วไปจะถูกจำกัดไว้ที่สิบเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก

ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้นจากเทคโนโลยีบอนด์แพร์แปลเป็นความสามารถในการรักษาความน่าเชื่อถือ แม้จะมีความเครียดอย่างต่อเนื่องจากการงอระหว่างการติดตั้งหรือการทำงานตามปกติก็ตาม แม้ว่าอุตสาหกรรมจะขาดมาตรฐานในการวัดความสามารถในการทนต่อการดัดงอ แต่ Belden ได้สร้างการทดสอบการดัดงอที่ออกแบบมาเพื่อจำลองสภาพการทำงานทั่วไปทางอุตสาหกรรม

วิศวกรของ Belden ทดสอบสายเคเบิลบอนด์แพร์ความยาว 15 ฟุต (ft.) โดยให้โค้งงอแน่น 3 นิ้ว (in.) ก่อนที่จะให้สายเคเบิลเคลื่อนที่หลายแกนที่ 10 ฟุตต่อวินาที (ft./s) เป็นเวลา 28,800 รอบต่อวัน ทีมวิศวกรของ Belden ติดตามการทดสอบสายเคเบิลอย่างต่อเนื่องเพื่อตรวจหาการลัดวงจร แรงดันไฟฟ้าตก และปัญหาอื่นๆ ที่จุดแปดจุดตลอดความยาว พวกเขาหยุดการทดสอบหลังจากรอบการทำงานแบบยืดหยุ่น 10,075,000 รอบ โดยตรวจไม่พบข้อผิดพลาดทางกายภาพหรือทางไฟฟ้าใดๆ

ประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งของสายเคเบิลบอนด์แพร์จะเห็นได้ชัดเมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพทางไฟฟ้ากับสายเคเบิลทั่วไป จากการใช้ค่า Link Margin เป็นตัวชี้วัด การทดสอบแสดงให้เห็นว่าสายเคเบิลบอนด์แพร์ของ Belden รักษาประสิทธิภาพก่อนและหลังการติดตั้ง (รูปที่ 3 ซ้าย) ในทางตรงกันข้าม สายเคเบิลตีเกลียวคู่แบบทั่วไปที่ผ่านการทดสอบประสิทธิภาพบนรอก อาจล้มเหลวได้หลังจากการติดตั้ง เนื่องจากการแยกคู่หลังจากที่สายเคเบิลได้รับความเค้นในการดึง ดัด และโค้งงอตามปกติจากการติดตั้ง (รูปที่ 3 ขวา)

รูปที่ 3: ในสายเคเบิลบอนด์แพร์ของ Belden ค่า Link Margin ยังคงสูงสำหรับแต่ละคู่ข้อมูล (สีน้ำเงิน/เหลือง/เขียว/แดง) ก่อนและหลังการติดตั้ง (ซ้าย) ในขณะที่สายเคเบิลตีเกลียวคู่แบบธรรมดาที่ทดสอบได้ดีบนรอก แสดงให้เห็นว่าค่าลดลงอย่างมากหลังการติดตั้งเนื่องจากการแยกคู่ที่เกิดจากความเครียดในการติดตั้งในภายหลัง (ที่มาของภาพ: Belden)

เมื่อเปรียบเทียบกับสายเคเบิลบอนด์แพร์ สายเคเบิลตีเกลียวคู่ทั่วไปยังคงแสดงความผันผวนของอิมพีแดนซ์ที่ขึ้นอยู่กับความถี่ที่ไม่แน่นอน เนื่องจากช่องว่างที่สร้างขึ้นระหว่างคู่สายระหว่างการติดตั้งและการจัดการ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: อิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลบอนด์แพร์ของ Belden (ซ้าย) ยังคงมีเสถียรภาพก่อนและหลังการติดตั้ง เมื่อเปรียบเทียบกับการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากการจัดการของสายเคเบิลอุตสาหกรรมทั่วไป (ขวา) (ที่มารูปภาพ: Belden)

ในการทำงานปกติ สายเคเบิลบอนด์แพร์ที่ไม่มีฉนวนสามารถรักษาการป้องกันสัญญาณรบกวนได้ ซึ่งมักจะมีต้นทุนต่ำกว่าสายเคเบิลที่มีฉนวนทั่วไป สำหรับนักออกแบบเครือข่ายอุตสาหกรรม การป้องกันสัญญาณรบกวนของสายเคเบิลแบบบอนด์แพร์ช่วยลดข้อจำกัดในการกำหนดเส้นทางเมื่อเปรียบเทียบกับสายเคเบิลอุตสาหกรรมแบบมีฉนวนทั่วไป ตัวอย่างเช่น แนวทางจาก ODVA (เดิมชื่อ Open DeviceNet Vendors Association) แนะนำให้เดินสายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้มแบบเดิมไม่เกิน 5 ฟุตจากแหล่งกำเนิดแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวน ในทางตรงกันข้าม การป้องกันสัญญาณรบกวนของสายเคเบิลบอนด์แพร์ที่ไม่หุ้มฉนวนช่วยให้นักออกแบบเครือข่ายกำหนดเส้นทางสายเคเบิลนี้ภายในระยะ 6 นิ้วหรือน้อยกว่าจากแหล่งกำเนิดได้ โดยไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ

สรุป

สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมทางกายภาพและทางไฟฟ้าที่รุนแรงทำให้การเลือกสายเคเบิลมีความซับซ้อนเพื่อให้สามารถรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ต้องการได้เมื่ออัตราข้อมูล IIoT เพิ่มขึ้น ดังที่แสดงให้เห็น เทคโนโลยีบอนด์แพร์ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของ Belden มอบโซลูชันที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถรักษาประสิทธิภาพการเชื่อมต่อได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมทั่วไป